ПЛАЗМЕННЫЙ КАТОД И СПОСОБ ЕГО ЗАПУСКА Российский патент 1995 года по МПК H01J37/77 F03H1/00 H05H1/54 

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано при разработке электрореактивных двигателей и технологических источников ускоренных потоков для ионно-плазменной обработки поверхности материалов в вакууме.

Известен разрядный прибор [1], имеющий пустотелый (полый) катод, в котором размещен источник нагрева эмиссионного элемента. В этом катоде рабочее тело поступает в полость катода через впускное отверстие и омывает пусковой электрод. В полости катода также размещен нагреватель. На выходе из катода выполнено сужение в виде пластины с отверстием, диаметр которого меньше внутреннего размера полости катода. Рабочее тело, поступающее в катод, ионизируется при подаче напряжения на катод и эмиссионный элемент. При этом происходит зажигание разряда, а автоэмиссия поддерживается подогревом эмиссионного элемента. Сужение на выходе катода увеличивает сопротивление потоку рабочего тела, что необходимо для повышения плотности рабочего тела с целью облегчения зажигания и горения основного разряда.

В аналоге источник нагрева и пусковой электрод находятся в зоне горения разряда внутри полого катода, что значительно уменьшает их ресурс. Кроме того, размещение нагревателя и пускового электрода внутри полого катода, являющегося в данном случае эмиссионным элементом, предопределяет его значительные размеры и массу. Это влечет за собой необходимость длительного времени и большой мощности для их разогрева до рабочих температур. Кроме того, значительная масса и размеры обуславливают значительные потери тепла в конструкцию, что ограничивает снизу величину рабочих токов прибора.

Известен плазменный катод [2], содержащий корпус с открытым торцом, размещенный в корпусе эмиттер со сквозным каналом, один из концов которого расположен напротив открытого торца корпуса, электрически изолированный относительно корпуса пусковой электрод и устройство для подачи рабочего тела в сквозной канал эмиттера. Пусковой электрод размещен снаружи корпуса эмиттера за его открытым торцом и ионизирует рабочее тело, выходящее из конца сквозного канала эмиттера, обращенного к этому торцу. В этой зоне давление рабочего тела является самым низким, так как подача рабочего тела осуществляется с другого конца сквозного канала эмиттера.

Такой катод и применяемый способ его запуска являются невыгодными как с точки зрения непроизводительных затрат времени, так и по энергоемкости. Кроме того, при недостаточно прогретом катоде в процессе его запуска может происходить интенсивная эрозия выходной части эмиттера. Необходимость достижения требуемой температуры эмиттера перед запуском заставляет увеличивать время нагрева эмиттера и мощность нагревателя, который из-за перегрузок, особенно при выполнении большого числа последовательных включений, подвержен отказам.

В основу изобретения положена задача создания плазменного катода с таким взаимным расположением эмиттера и пускового электрода и других его элементов, при котором создаются наиболее благоприятные условия для ионизации рабочего тела при запуске катода, а также увеличиваются ресурс и экономичность при работе катода в режиме разряда.

Поставленная задача решается тем, что в плазменном катоде, содержащем корпус с эмиссионным отверстием, эмиттер, установленный в полом корпусе, со сквозным каналом, соосным эмиссионному отверстию, и пусковой электрод, электроизолированный относительно корпуса и эмиттера, подключенные к системе электропитания, и узел подачи рабочего тела в канал эмиттера, пусковой электрод размещен в полости корпуса перед каналом эмиттера со стороны, противоположной эмиссионному отверстию, при этом узел подачи рабочего тела сообщен с полостью корпуса в зоне расположения пускового электрода.

Благодаря размещению пускового электрода в полости корпуса перед каналом эмиттера со стороны, противоположной эмиссионному отверстию, ионизация рабочего тела, поступающего через узел подачи рабочего тела в сквозной канал эмиттера, происходит в зоне, в которой давление близко к максимальному давлению рабочего тела в пределах корпуса катода. Изменение места установки пускового электрода позволяет организовать более мягкие условия запуска и обеспечить идентичность условий зажигания разряда для всех запусков.

При зажигании пускового разряда без предварительного разогрева и даже при предварительно разогретом эмиттере происходит выбивание (вырывание) атомов материала эмиттера ускоренными ионами рабочего тела, а в момент начального зажигания разряда в виде электрической дуги он не распределяется по всей поверхности канала эмиттера, что приводит к эрозии поверхности эмиттера. При выполнении пускового электрода из эмиссионного материала и подключении его к отрицательному выводу источника пускового напряжения в момент зажигания пускового разряда более интенсивно, чем эмиттер разрушается пусковой электрод. При этом повышается ресурс эмиттера, так как уменьшается его разрушение при запуске, а основной процесс эрозии эмиттера происходит при горении основного разряда.

Пусковой электрод может быть выполнен в виде трубчатого элемента из эмиссионного материала, электрически изолированного относительно эмиттера, сквозное отверстие которого соосно сквозному каналу эмиттера, при этом внутренний диаметр трубчатого элемента равен диаметру сквозного канала эмиттера. При этом зажигают разряд в рабочем теле в зоне между пусковым электродом и концом сквозного канала эмиттера, противоположным открытому торцу корпуса, а после подачи отрицательного рабочего потенциала на эмиттер электрически соединяют пусковой электрод с эмиттером, в результате чего они находятся под одним и тем же потенциалом. При таком выполнении пускового электрода увеличивается площадь эмиссионной поверхности катода за счет присоединения эмиссионной поверхности пускового электрода к поверхности эмиттера, что позволяет снизить токовую нагрузку на единицу площади эмиттера и повысить ресурс катода.

Катод может быть снабжен пластиной из электропроводного материала с отверстием, установленной на торце корпуса, при этом отверстие пластины соосно сквозному каналу эмиттера, а его диаметр меньше диаметра сквозного канала эмиттера.

Отверстие меньшего диаметра в пластине позволяет увеличить плотность рабочего тела внутри канала эмиттера, что создает благоприятные условия для ионизации рабочего тела внутри канала эмиттера при запуске и при зажигании основного разряда между катодом и анодом плазменного устройства. Выполнение пластины из электропроводного материала усиливает эффект полого катода за счет искривления эквипотенциальных линий электрического поля в канале эмиттера. Благодаря этому появляется возможность увеличения поперечного сечения сквозного канала эмиттера, что обеспечивает увеличение его активной поверхности без изменения рабочего давления в канале и снижение токовой нагрузки на единицу площади поверхности канала эмиттера.

При выполнении пластины с отверстием из эмиссионного материала электроны, испускаемые пластиной, попадают в разрядный промежуток между внешним анодом и катодом и способствуют переводу разряда от катода к внешнему аноду.

Катод может быть снабжен вспомогательным электродом, электрически изолированным от корпуса и установленным с его внешней стороны у эмиссионного отверстия. При этом обеспечивается возможность работы катода в режиме генератора плазмы, если вспомогательный электрод соединить с положительным зажимом источника рабочего напряжения. Этим электродом может служить пластина с отверстием, описанная выше. Эта пластина также может использоваться в качестве промежуточного электрода для облегчения зажигания основного разряда между катодом и внешним анодом.

По известному способу запуска плазменного катода зажигают пусковой разряд в рабочем теле между пусковым электродом и эмиттером со стороны открытого торца, после чего подают отрицательный рабочий потенциал на эмиттер. В соответствии с изобретением пусковой разряд зажигают в потоке рабочего тела со стороны торцовой части эмиттера, противоположной зоне расположения эмиссионного отверстия, что обеспечивает облегчение ионизации при запуске и получение описанных выше преимуществ.

Для повышения ресурса и надежности катода, в котором зажигают пусковой разряд, между пусковым электродом и концом сквозного канала эмиттера, противоположным открытому торцу корпуса, подают отрицательный рабочий потенциал на эмиттер. После зажигания основного разряда между внешним анодом и эмиттером электрически соединяют эмиттер и пусковой электрод и тем самым увеличивают эмиссионную поверхность.

После зажигания разряда и подачи отрицательного рабочего потенциала на эмиттер зажигают и поддерживают тлеющий разряд между эмиттером и пусковым электродом. Если энергия, подводимая из разряда к катоду, меньше отдаваемой, например, при малых разрядных токах, то для поддержания теплового баланса необходим подвод дополнительной энергии. В этом случае тлеющий разряд является источником дополнительной энергии, как правило небольшой. Организация тлеющего разряда не требует дополнительных элементов конструкции. В то же время образовавшаяся при тлеющем разряде тепловая энергия с минимальными потерями подводится непосредственно к эмиттеру. Кроме того, тлеющий разряд является источником нагрева рабочего тела и источником ионов и электронов, что облегчает условия запуска катода, а также повышает его экономичность при горении основного разряда.

Для расширения функциональных возможностей катода, в частности, с целью использования его в режиме генератора плазмы или для улучшения условий зажигания разряда между внешним анодом и катодом после зажигания пускового разряда и подачи отрицательного рабочего потенциала на эмиттер создают разность потенциалов между вспомогательным электродом на открытом торце корпуса и эмиттером. Между вспомогательным электродом и эмиттером образуется разряд, служащий источником плазмы. В то же время разряд между вспомогательным электродом и эмиттером облегчает условия для зажигания разряда между внешним анодом и катодом.

Сущность изобретения поясняется фиг.1-5.

Плазменный катод (фиг.1) содержит корпус 1, эмиттер 2, электрически соединенный с источником 3 разрядного напряжения, со сквозным каналом, сообщенным с полостью корпуса, трубку 4 подвода рабочего тела в полость корпуса, пусковой электрод 5, электрически соединенный с источником 6 пускового напряжения. Пусковой электрод 5 установлен внутри полого корпуса соосно с ним со стороны входа рабочего тела в канал эмиттера 2 и электрически изолирован от трубки 4 подачи рабочего тела и корпуса 1. Расстояние между пусковым электродом 5 и эмиттером 2 выбрано из условия минимума пробойного напряжения между ними при рабочем расходе рабочего тела.

Конструкция катода с возможностью увеличения площади эмиссионной поверхности показана на фиг.2. В этом варианте пусковой электрод 5 выполнен из эмиссионного материала. В пусковом электроде выполнен осевой канал для прохода рабочего тела, соосный каналу в эмиттере, причем диаметр канала в пусковом электроде (D_пэ) по крайней мере равен D_э. Пусковой электрод через переключающее устройство 7 может быть электрически подключен к минусовому выходу источника 3 разрядного напряжения. Здесь же показан источник пускового напряжения с выключателем (коммутирующим устройством) 12.

На фиг.3 изображен вариант конструкции катода с пластиной 8, установленной на торце корпуса 1. В пластине имеется осевое отверстие, диаметр которого (D_п) меньше диаметра проходного отверстия в эмиттере 2 (D_э). Пластина выполнена из электропроводного материала. Как вариант конструкции она может быть выполнена из эмиссионного материала.

На фиг. 4 показана конструкция катода с пластиной 8, установленной на торце корпуса 1, электрически отвязанной от него через изолятор 9. Пластина 8 подсоединяется к плюсовому выходу источника 3 разрядного напряжения.

На фиг.5 показан катод с расширенными функциональными возможностями работы в рабочих областях с малыми значениями разрядного тока. С помощью переключающего устройства 10 через устройство 11, ограничивающее ток, например резистор, пусковой электрод 5 может быть электрически подсоединен к плюсовому выходу источника 6 пускового напряжения. Величина электрического сопротивления резистора выбирается такой, чтобы при работе катода между пусковым электродом и эмиттером образовывался и поддерживался тлеющий разряд.

Катод работает следующим образом.

По команде на включение начинается подача рабочего тела в катод и подается напряжение на пусковой электрод 5. При зажигании разряда между пусковым электродом 5 и эмиттером 2 происходит нагрев последнего. Одновременно образовавшаяся между эмиттером и пусковым электродом плазма проникает в канал эмиттера и делает возможным возникновение основного разряда между эмиттером и внешним анодом. Поскольку давление газа, при котором происходит разряд, на входе в эмиттер выше, чем в пространстве между эмиттером и пусковым электродом на выходе из эмиттера, напряжение, необходимое для зажигания разряда между пусковым электродом и эмиттером, на входе в эмиттер будет более низким. После зажигания основного разряда пусковое напряжение отключается. При этом не происходит эрозии выходной части эмиттера катода.

Подготовка варианта конструкции катода с увеличенной площадью эмиссионной поверхности не отличается от порядка подготовки по основному варианту. После появления основного разряда в случае необходимости пусковой электрод 5 посредством переключателя 7 может быть электрически соединен с эмиттером, т. е. находится с ним под одним потенциалом. Если пусковой электрод имеет осевой канал и выполнен из эмиссионного материала, то он работает как дополнительная часть эмиттера.

При установке в открытом торце корпуса токоподводящей пластины 8 усиливается эффект полого катода за счет большего искривления эквипотенциальных поверхностей внутри полого катода.

Если пластина 8 изготовлена из эмиссионного материала, то при подготовке катода к работе пластина также нагревается и начинает испускать электроны, которые могут облегчить условия образования основного разряда.

Подготовка к запуску катода с пластиной в открытом торце корпуса, электрически не связанной с ним, не отличается от режима подготовки по основному варианту конструкции. При подсоединении пластины 8 к плюсовому выходу источника 3 разрядного напряжения после зажигания разряда между пусковым электродом 5 и эмиттером 2 происходит "вытягивание" образовавшейся плазмы из канала эмиттера в разрядный промежуток между эмиттером, пластиной и внешним анодом, что облегчает условия зажигания основного разряда. При отключении внешнего анода при наличии потенциала на пластине катод может работать в качестве источника плазмы.

Катод с расширенными функциональными возможностями работает следующим образом.

После появления основного разряда в случае малых значений разрядного напряжения переключающее устройство 10 подключается через ограничивающий резистор 11 к плюсовому выходу источника 6 пускового разряда. Между пусковым электродом 5 и эмиттером 2 появляется тлеющий разряд, энергия от которого служит источником тепла для разряда от анода, но при подключенном пусковом электроде 5 к источнику 6 пускового напряжения тлеющий разряд между эмиттером и пусковым электродом обеспечивает режим подогрева катода, что дает возможность выполнять запуск при малом времени подготовки к работе.

Использование: в плазменной технике, при создании электрореактивных двигателей и технологических источников ускоренных потоков для ионно-плазменной обработки поверхностей материалов в вакууме. Сущность изобретения: плазменный катод содержит корпус с открытым торцом, размещенный в корпусе эмиттер со сквозным каналом, один из концов которого расположен напротив открытого торца корпуса, электрически изолированный относительно корпуса и эмиттера пусковой элетрод и устройство для подачи рабочего тела в сквозной канал эмиттера. Пусковой элетрод размещен в полости корпуса перед другим концом сквозного канала эмиттера, а устройство подачи рабочего тела в сквозной канал эмиттера сообщено с внутренней полостью корпуса в зоне расположения пускового электрода. При запуске катода возбуждают пусковой разряд в рабочем теле в зоне между пусковым электродом и концом свозного канала эмиттера, противоположным открытому торцу корпуса, после чего подают отрицательный потенциал на эмиттер. Изобретение направлено на снижение энергоемкости катода путем облегчения условий его запуска и позволяет повысить его ресурс. 2 с. и 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

ПЛАЗМЕННЫЙ КАТОД И СПОСОБ ЕГО ЗАПУСКА.